CN102104560B - 信道估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信道估计方法和装置，计算各个导频位置的信道系数，针对各个导频位置的信道系数进行降噪滤波，利用降噪滤波输出值进行维纳滤波，得到信道估计值。利用本发明，可以在低信噪比下，提高通过维纳滤波得出的信道估计值的准确度。

Description

信道估计方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种信道估计方法及装置。

背景技术

在长期演进(LTE，Long Term Evolution)系统中，物理层的系统结构如图1所示。在发射端将信源信号依次进行编码、调制、映射成帧、快速傅里叶逆变换(IFFT，Inverse Fast Fourier Transform)和加循环前缀(CP，CyclicPrefix)的操作，然后通过信道传输给接收端。在接收端，对接收信号依次进行去CP、快速傅里叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)、数据抽取、信道估计、均衡、解调和译码操作。随着网络技术的发展，对传输速率提出了越来越高的要求，因此图1中所示的信道估计的性能显得尤为重要。

现有技术中的信道估计方法由以下两个步骤实现：

步骤1：估计导频(pilot)位置的信道系数。

导频符号由发射端插入到发射信号中的固定位置，对于接收端来说，这些固定位置是已知的，称为导频位置。图2为现有正方形导频符号的分布结构示意图，横坐标表示时间方向，纵坐标表示频率方向，N_c表示子载波个数，N_s表示包含的符号数，N_f表示导频符号在频率方向的间距，N_t表示导频符号在时间方向的间距，其中的黑色实心方块就是导频符号所在的导频位置。

本步骤中计算导频位置的信道系数的计算公式一如下：

${\stackrel{(}{H}}_{l^{\′},k^{\′}}=\frac{R_{l^{\′},k^{\′}}\·S_{l^{\′},k^{\′}}^{*}}{{\left|S_{l^{\′},k^{\′}}\right|}^2}=H_{l^{\′},k^{\′}}+N_{l^{\′},k^{\′}}\·S_{l^{\′},k^{\′}}^{*},(l^{\′},k^{\′})\∈\mathrm{pilot}.$

上述公式一中的信号能量归一化|S_l′，k′|²＝1，l′和k′分别代表导频位置的时域符号索引和频域符号索引，R_l′，k′代表导频位置(l′，k′)的接收信号，

代表导频位置(l′，k′)的已知导频序列，N_l′，k′表示导频位置均值为0、且方差为σ²的高斯白噪声，H_l′，k′表示导频位置(l′，k′)真实的信道响应，pilot集合中的元素个数记为 $P=\left[\frac{N_c}{N_f}\right]\left[\frac{N_s}{N_t}\right].$

步骤2：利用各个导频位置的信道系数进行维纳滤波，得到任意时频位置的信道估计值。

本步骤中以2D维纳滤波为例，即这里执行的是二维内插滤波，计算公式二如下：

上述公式二中的data集合中的个数为D＝N_cN_s，w_{l′，k′，l，k}为二维维纳滤波器的滤波系数，(l′，k′)∈Γ_l，k表示估计区域中的导频资源集合，如图2所示，估计区域中包括交叉实线连接的四个导频位置。

上述步骤2可以进行多次，每次利用一个估计区域中的导频位置的信道系数，得出该估计区域中的任意时频位置的信道估计值，例如图2中的斜线阴影区域就代表两条交叉实线所连接的4个导频位置限定的估计区域内的一个时频位置的信道估计值。

上述步骤2中同样也可以使用1D维纳滤波得出任意时频位置的信道估计值，这时需分别进行时域维度和频域维度的插值滤波，其中时域维度插值滤波的计算公式三为

频域维度插值滤波的计算公式四为上述公式三和公式四中的l表示时域变量，k表示频域变量，并且(l，k)∈data。

在现有技术中的信道估计方法中，在步骤2中有如下两种维纳滤波的实现方式：

第一、采用2级1D维纳滤波，或者采用1级2D维纳滤波。这样得出的结果与理想信道估计的差距较小，但是计算量较大，复杂程度较高。

第二、采用1级1D维纳滤波。这种滤波方式虽然计算量较小，但是在低信噪比(SNR，Signal to Noise Ratio)下，与理想信道估计值的差距较大。

发明内容

本发明实施例提供一种信道估计方法和装置，可以在低SNR下，提高通过维纳滤波得出的信道估计值的准确度。

一种信道估计方法，包括：

计算各个导频位置的信道系数；

针对所述各个导频位置的信道系数进行降噪滤波，得到降噪滤波输出值；

利用所述降噪滤波输出值进行维纳滤波，得到信道估计值。

一种信道估计装置，包括：

信道系数模块，用于计算各个导频位置的信道系数、并输出给降噪模块；

降噪模块，用于针对所述各个导频位置的信道系数进行降噪滤波，得到降噪滤波输出值、并输出给维纳滤波模块；

维纳滤波模块，用于利用所述降噪滤波输出值进行维纳滤波，得到信道估计值。

可见，本发明实施例中的信道估计方法和装置中，由于维纳滤波利用的是降噪滤波输出值，而降噪滤波输出值又是由若干导频位置的信道系数得出，所以相对于现有技术中利用导频位置的信道系数进行维纳滤波，相当于扩大了维纳滤波的滤波区域，减少了由于噪声引起的误差传递、提高了SNR，从而提升了低SNR下信道估计的准确性，即在低SNR情况下，提高了通过维纳滤波得出的信道估计值的准确度。

附图说明

图1为现有LTE系统中物理层的系统结构示意图；

图2为现有正方形导频符号的分布结构示意图；

图3为本发明实施例中的信道估计方法流程图；

图4为本发明的应用实例中信道估计方法流程图；

图5为本发明实施例中的信道估计装置的结构示意图；

图6为本发明实施例中降噪模块的结构示意图；

图7为本发明实施例中降噪模块中的第一滤波器或第二滤波器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

图3为本发明实施例中的信道估计方法流程图，该流程包括：

步骤31：计算各个导频位置的信道系数。

步骤32：针对所述各个导频位置的信道系数进行降噪滤波，得到降噪滤波输出值。

步骤33：利用所述降噪滤波输出值进行维纳滤波，得到信道估计值。

可见，本发明实施例中的信道估计方法中，由于维纳滤波利用的是降噪滤波输出值，而降噪滤波输出值又是由若干导频位置的信道系数得出，所以相对于现有技术中利用导频位置的信道系数进行维纳滤波，相当于扩大了维纳滤波的滤波区域，减少了由于噪声引起的误差传递、提高了SNR，从而提升了低SNR下信道估计的准确性，即在低SNR情况下，提高了通过维纳滤波得出的信道估计值的准确度。

进一步，本发明实施例中的方法还降低了维纳滤波算法的复杂性，并降低了维纳滤波对导频位置的信道系数的依赖程度，提高了对维纳滤波统计参数的鲁棒性。

下面给出本发明实施例中的方法的一个具体应用实例，以信道估计中使用1D维纳滤波为例。

图4为本发明的应用实例中信道估计方法流程图，该流程包括：

步骤41：计算各个导频位置的信道系数。

本步骤中，按照现有技术中的公式一计算各个导频位置的信道系数。

步骤42：针对第一滤波区域，利用该第一滤波区域中的导频位置的信道系数在时域维度上进行有限长单位冲激响应(FIR，Finite Impulse Response)滤波，得到时域维度上的降噪滤波输出值。

本步骤中，在时域维度上进行FIR滤波的计算公式五如下：

$H_{l^{\′},k^{\′}}^{\′}=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}w\left(i\right)\×{\stackrel{(}{H}}_{i^{\′},k^{\′}}\left(i\right).$

上述公式五中，H′_l′，k′表示降噪滤波输出值，

表示设定区域中第i个导频位置的信道系数，M表示第一滤波区域中的导频位置的信道系数的个数，w(i)为FIR滤波加权系数，该加权系数可以通过常用的无偏估计或方差最小原则来确定。

第一滤波区域为一个以上，对每个第一滤波区域都按照公式五执行FIR滤波，即可以得到每个第一滤波区域的时域维度上的降噪滤波输出值。

第一滤波区域可以根据实际应用需要设置其大小。本应用实例中，第一滤波区域中最多包含四个导频位置。

步骤43：利用时域维度上的降噪滤波输出值进行时域维度的1D维纳滤波，利用导频位置的信道系数进行频域维度的1D维纳滤波，得到信道估计值。

本步骤中，在频域维度上的1D维纳滤波与现有技术中的方法完全一样，在时域维度上的1D维纳滤波与现有技术中的方法类似，仅需将现有技术公式中的导频位置的信道系数替换为步骤42中各个第一滤波区域的时域维度上的降噪滤波输出值即可。

除了以上应用实例中举出的情况外，第一滤波区域中包括的最大导频位置数量还可以设置为除四个之外的其他值，这里的数量设定主要依据具体应用场景下执行降噪滤波的滤波器的能力，在该滤波器的能力值范围内可以设置尽可能大的值。

上述步骤42中还可以在频域维度上进行FIR滤波，其中在频域维度上进行的FIR滤波所依据的公式与公式五相同，只是w(i)的生成方式不同，具体生成方式属于现有技术。在此基础上，步骤43中在时域维度上的1D维纳滤波与现有技术中的方法完全一样，在频域维度上的1D维纳滤波与现有技术中的方法类似，仅需将现有技术公式中的导频位置的信道系数替换为步骤42中各个第一滤波区域的频域维度上的降噪滤波输出值即可。

上述步骤42还可以在时域维度和频域维度上都进行FIR滤波，假设先进行时域维度、再进行频域维度上的FIR滤波，则先针对第一滤波区域中的导频位置的信道系数，进行时域维度的降噪滤波，得到时域维度上的降噪滤波输出值；再针对第二滤波区域中的时域维度上的降噪滤波输出值，进行频域维度的降噪滤波，得到最终的降噪滤波输出值。假设先进行频域维度、再进行时域维度上的FIR滤波，则先针对第一滤波区域中的导频位置的信道系数，进行频域维度的降噪滤波，得到频域维度上的降噪滤波输出值；再针对第二滤波区域中的频域维度上的降噪滤波输出值，进行时域维度的降噪滤波，得到最终的降噪滤波输出值。这里的第二滤波区域为一个以上，也可以根据实际应用设置其大小，即设置第二滤波区域中最多包括几个降噪滤波输出值。在此基础上，步骤43中在时域维度和频域维度上的1D维纳滤波与现有技术中的方法类似，仅需将现有技术公式中的导频位置的信道系数替换为步骤42中得到的最终的降噪滤波值即可。

以上应用实例以1D维纳滤波为例，本发明中的方法也可以应用在2D维纳滤波中，这时，步骤42中进行时域维度和频域维度上的降噪滤波，步骤43中的2D维纳滤波与现有技术中的方法类似，仅需将现有技术公式中的导频位置的信道系数替换为步骤42中得到的最终的降噪滤波值即可。

除了FIR滤波外，本发明实施例还可以在在时域维度和/或频域维度上进行无限长单位冲激响应(IIR，infinite impulse response)滤波，实现方式与FIR滤波相同，只是使用的计算公式相应为IIR滤波的计算公式。

图5为本发明实施例中的信道估计装置，该装置包括：信道系数模块、降噪模块和维纳滤波模块。

上述信道系数模块，用于计算各个导频位置的信道系数、并输出给降噪模块。该信道系数模块具体可以是处理器，如CPU等。

上述降噪模块，用于针对所述导频位置的信道系数进行降噪滤波，得到降噪滤波输出值、并输出给维纳滤波模块。该降噪模块具体可以是降噪滤波器。

上述维纳滤波模块，用于利用所述降噪滤波输出值进行维纳滤波，得到信道估计值。该维纳滤波模块具体可以是维纳滤波器。

可见，本发明实施例中的信道估计装置中，由于维纳滤波利用的是降噪滤波输出值，而降噪滤波输出值又是由导频位置的信道系数得出，所以相对于现有技术中利用导频位置的信道系数进行维纳滤波，相当于扩大了维纳滤波的滤波区域，减少了由于噪声引起的误差传递、提高了SNR，从而提升了低SNR下信道估计的准确性，即在低SNR情况下，提高了通过维纳滤波得出的信道估计值的准确度。

进一步，本发明实施例中的装置降低了维纳滤波算法的复杂性，并降低了维纳滤波对导频位置的信道系数的依赖程度，提高了对维纳滤波统计参数的鲁棒性。

下面给出本发明实施例中的装置的一个具体应用实例，以信道估计中使用1D维纳滤波为例。

在本应用实例中，降噪模块包括第一滤波器和第二滤波器，图6为该降噪模块的结构示意图。第一滤波器和第二滤波器的功能有以下两种情况。

第一、第一滤波器负责时域维度的降噪滤波，第二滤波器负责频域维度的降噪滤波。

上述第一滤波器，用于在当前只进行时域维度的降噪滤波或进行时域维度和频域维度的降噪滤波时，针对预设第一滤波区域中的信道系数进行时域维度的降噪滤波，得到时域维度上的降噪滤波输出值输出给第二滤波器；在当前只进行频域维度的降噪滤波时，将所述导频位置的信道系数输出给第二滤波器。

上述第二滤波器，用于在当前只进行时域维度的降噪滤波时，将时域维度上的降噪滤波输出值输出给维纳滤波模块；在当前进行时域维度和频域维度的降噪滤波时，针对预设第二滤波区域中的时域维度上的降噪滤波输出值进行频域维度的降噪滤波，得到最终的降噪滤波输出值、并输出给维纳滤波模块；在当前只进行频域维度的降噪滤波时，针对预设第一滤波区域中的导频位置的信道系数，进行频域维度的维纳滤波，得到频域维度上的降噪滤波输出值输出给维纳滤波模块。

第二、第一滤波器负责频域维度的降噪滤波，第二滤波器负责时域维度的降噪滤波。

上述第一滤波器，用于在当前只进行频域维度的降噪滤波或进行时域维度和频域维度的降噪滤波时，针对预设第一滤波区域中的信道系数进行频域维度的降噪滤波，得到频域维度上的降噪滤波输出值输出给第二滤波器；在当前只进行时域维度的降噪滤波时，将所述导频位置的信道系数输出给第二滤波器。

上述第二滤波器，用于在当前只进行频域维度的降噪滤波时，将频域维度上的降噪滤波输出值输出给维纳滤波模块；在当前进行频域维度和时域维度的降噪滤波时，针对预设第二滤波区域中的频域维度上的降噪滤波输出值进行时域维度的降噪滤波，得到最终的降噪滤波输出值、并输出给维纳滤波模块；在当前只进行时域维度的降噪滤波时，针对预设第一滤波区域中的导频位置的信道系数，进行时域维度的维纳滤波，得到时域维度上的降噪滤波输出值输出给维纳滤波模块。

以FIR滤波为例，图7为本发明实施例降噪模块中的第一滤波器或第二滤波器的结构示意图，其中的H(i)代表公式五中的

其中的H’代表公式五中的H′_l′，k′。

本发明实施例中，降噪模块中还可以包括两个IIR滤波器，其工作方式与FIR滤波器相同，只是需按照IIR滤波的计算公式执行滤波。

在本应用实例中，当降噪模块只进行时域维度的降噪滤波时，维纳滤波模块在时域维度利用降噪模块输出的降噪滤波输出值进行维纳滤波，在频域维度利用导频位置的信道系数进行维纳滤波；当降噪模块只进行频域维度的降噪滤波时，维纳滤波模块在频域维度利用降噪模块输出的降噪滤波输出值进行维纳滤波，在时域维度利用导频位置的信道系数进行维纳滤波；当降噪模块进行时域维度和频域维度的降噪滤波时，维纳滤波模块在时域维度和频域维度都利用降噪模块输出的降噪滤波输出值进行维纳滤波。

本发明实施例的信道估计装置，按照本发明实施例的信道估计方法执行操作。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一计算机可读存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为只读存储器(ROM，Read Only Memory)/随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或光盘等。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种信道估计方法，其特征在于，该方法包括：

计算各个导频位置的信道系数；

针对所述各个导频位置的信道系数进行降噪滤波，得到降噪滤波输出值；

利用所述降噪滤波输出值进行维纳滤波，得到信道估计值；所述利用所述降噪滤波输出值进行维纳滤波，得到信道估计值包括：

当针对所述各个导频位置的信道系数在时域维度进行降噪滤波时，在时域维度利用所述降噪滤波输出值进行维纳滤波，在频域维度利用所述导频位置的信道系数进行维纳滤波；

当针对所述各个导频位置的信道系数在频域维度进行降噪滤波时，在频域维度利用所述降噪滤波输出值进行维纳滤波，在时域维度利用所述导频位置的信道系数进行维纳滤波；

当针对所述各个导频位置的信道系数在时域维度和频域维度进行降噪滤波时，在时域维度和频域维度都利用所述降噪滤波输出值进行维纳滤波。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述针对所述各个导频位置的信道系数在时域维度和频域维度进行降噪滤波包括：

设置第一滤波区域，针对第一滤波区域中的导频位置的信道系数，进行时域维度的降噪滤波，得到时域维度上的降噪滤波输出值；设置第二滤波区域，针对第二滤波区域中的时域维度上的降噪滤波输出值，进行频域维度的降噪滤波，得到最终的降噪滤波输出值；

或者，设置第一滤波区域，针对第一滤波区域中的导频位置的信道系数，进行频域维度的降噪滤波，得到频域维度上的降噪滤波输出值；设置第二滤波区域，针对第二滤波区域中的频域维度上的降噪滤波输出值，进行时域维度的降噪滤波，得到最终的降噪滤波输出值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一滤波区域与第二滤波区域是相同或不同的区域。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述降噪滤波为有限长单位冲激响应FIR滤波或无限长单位冲激响应IIR滤波。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述维纳滤波为1D维纳滤波或2D维纳滤波。

6.一种信道估计装置，其特征在于，该装置包括：

信道系数模块，用于计算各个导频位置的信道系数、并输出给降噪模块；

降噪模块，用于针对所述各个导频位置的信道系数进行降噪滤波，得到降噪滤波输出值、并输出给维纳滤波模块；

维纳滤波模块，用于利用所述降噪滤波输出值进行维纳滤波，得到信道估计值；当所述降噪模块只进行时域维度的降噪滤波时，所述维纳滤波模块在时域维度利用降噪模块输出的降噪滤波输出值进行维纳滤波，在频域维度利用所述导频位置的信道系数进行维纳滤波；

当所述降噪模块只进行频域维度的降噪滤波时，所述维纳滤波模块在频域维度利用降噪模块输出的降噪滤波输出值进行维纳滤波，在时域维度利用所述导频位置的信道系数进行维纳滤波；

当所述降噪模块进行时域维度和频域维度的降噪滤波时，所述维纳滤波模块在时域维度和频域维度都利用降噪模块输出的降噪滤波输出值进行维纳滤波。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述降噪模块包括：第一滤波器和第二滤波器；

所述第一滤波器，用于在当前只进行时域维度的降噪滤波或进行时域维度和频域维度的降噪滤波时，针对预设第一滤波区域中的信道系数进行时域维度的降噪滤波，得到时域维度上的降噪滤波输出值输出给第二滤波器；在当前只进行频域维度的降噪滤波时，将所述导频位置的信道系数输出给第二滤波器；

所述第二滤波器，用于在当前只进行时域维度的降噪滤波时，将时域维度上的降噪滤波输出值输出给维纳滤波模块；在当前进行时域维度和频域维度的降噪滤波时，针对预设第二滤波区域中的时域维度上的降噪滤波输出值进行频域维度的降噪滤波，得到最终的降噪滤波输出值、并输出给维纳滤波模块；在当前只进行频域维度的降噪滤波时，针对预设第一滤波区域中的导频位置的信道系数，进行频域维度的维纳滤波，得到频域维度上的降噪滤波输出值输出给维纳滤波模块。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述降噪模块包括：第一滤波器和第二滤波器；

所述第一滤波器，用于在当前只进行频域维度的降噪滤波或进行时域维度和频域维度的降噪滤波时，针对预设第一滤波区域中的信道系数进行频域维度的降噪滤波，得到频域维度上的降噪滤波输出值输出给第二滤波器；在当前只进行时域维度的降噪滤波时，将所述导频位置的信道系数输出给第二滤波器；

所述第二滤波器，用于在当前只进行频域维度的降噪滤波时，将频域维度上的降噪滤波输出值输出给维纳滤波模块；在当前进行频域维度和时域维度的降噪滤波时，针对预设第二滤波区域中的频域维度上的降噪滤波输出值进行时域维度的降噪滤波，得到最终的降噪滤波输出值、并输出给维纳滤波模块；在当前只进行时域维度的降噪滤波时，针对预设第一滤波区域中的导频位置的信道系数，进行时域维度的维纳滤波，得到时域维度上的降噪滤波输出值输出给维纳滤波模块。

9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述第一滤波器和第二滤波器均为FIR滤波器，或者所述第一滤波器和第二滤波器均为IIR滤波器。

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